（火箭军工程大学理学院 陕西西安 710025）
摘要：本文设计并制作了一套磁耦合谐振原理的无线电能传输装置。系统由发射端和接收端组成，通过发射线圈和接收线圈之间的并联谐振，不需要传统的金属介质就可以实现中等距离的无线电能传输。系统中加入了单片机控制模块，可以对传输功率进行调节和实时显示。设计了独立的电源管理模块，系统可以直接利用220V交流市电作为电源。
关键词：无线电能传输、磁耦合谐振、并联谐振、单片机
0引言
自人类进入电气化时代开始，电能的传输就是电能的应用中需要考虑的一个重要问题。现阶段采用的有线电能传输方式虽然方便简单，效率高，但长时间的使用导线会产生老化、漏电等问题，在类似矿井和水下等特殊场合存在用电安全问题。
无线电能传输技术可以解决上述应用中的不便。磁耦合谐振式无线电能传输是一种中等距离的无线输电方式，通过谐振可以使得在传输距离为线圈直径的几倍时仍可以得到较大的功率和较高的传输效率，从而得到了越来越多的研究。
本文设计并制作了一种磁耦合谐振式的无线电能传输试验系统，可以实现隔空点亮LED灯的效果，具有一定的推广应用价值。
1 总体方案
系统主要由电源模块、信号发生模块、单片机控制模块、驱动模块、发射接收模块、整流模块分组成。电源模块可以直接从220V的市电取得，产生适合本设计的直流电压，信号发生模块产生占空比可调的PWM波，单片机控制模块可以控制PWM波的占空比的大小，经驱动电路提高其驱动能力后为发射线圈提供激励信号，再通过发射线圈把能量发射出去。接收线圈接收能量，经整流滤波电路产生适合负载的电压。系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2硬件设计
2.1 电源模块
本模块主要是由220V转±18V交流变压器、1N4007二极管、大容量电解电容、LM317芯片、LM337芯片、LM7805芯片、LM7905芯片、滑动变阻器构成。
220V交流市电通过变压器转化成为±18V交流电，通过1N4007整流二极管将交流电，转化为脉动直流电，通过两级电解电容的滤波，使得其变成相对稳定的直流电，经线性可调稳压电源芯片LM317处理后输出电压和电流可调的满足要求的稳定电压。电路原理图如下。
2.2PWM信号发生模块
利用PWM波调制芯片TL494产生发射电能的所需的PWM信号。该芯片内部含有线性锯齿波振荡器可以产生正向锯齿波，通过与控制信号进行比较，实现脉冲宽度调制功能。芯片TL494内含有线性锯齿波振荡器，通过选择合适的滑动变阻器和电容，接在其对应的管脚上，利用RC并联振荡的原理，可以较为稳定的产生所需频率。[ ]
2.3 单片机控制模块
单片机控制模块实现两个作用。一是通过单片机控制数字电位器X9C103来实现控制TL494信号占空比的大小。TL494芯片的4管脚是死区控制管脚，也就是控制信号输入管脚，只要改变管脚控制电压就可以达到控制PWM波占空比大小的目的，可以程序控制功率。而是通过单片机控制LCD1602显示功率控制等级。[ ]单片机模块电路如图4所示。
2.4 驱动与发射模块
由4个功率场效应管组成的H桥发射单元和对应的驱动模块构成。H桥轮流通道，把直流能量变为交流脉冲送给发射线圈，驱动模块产生足够的电流驱动H桥工作。
根据功率MOS功率容量较小，承受反压能力较低的特点，发射模块主电路采用的是开关类型的全桥电路，由4个功率MOS作为开关元件， 选用2个IR2110驱动器，每个IR2110的高压侧和低压侧各驱动一个功率MOS管。IR2110是一款经典的场效应管的驱动芯片其芯片特点是驱动能力大，本设计有四个场效应管组成的H桥，仅仅需要两片IR2110驱动芯片就可以实现对场效应管的驱动。
对应的电路如图2所示
图2 IR2110驱动电路
为了防止H桥电路同一桥臂同时导通，使场效应管直接短路，而不能正常工作，利用高速的CMOS非门器件74HC04设计了死去控制电路。该电路通过给每个桥臂在状态转换时加入一定的死区时间，避免了桥臂的同时导通。死区时间通过74HC00与电阻和电容的配合实现，其值于电容充电电压达到逻辑1时的电压。
2.5 接收电路
接收电路主要由接收电力线圈，云母电容、普通二级管、电解电容组成，首先电力接收线圈与云母电容并联连接，形成LC谐振电路，保证发射线圈的LC谐振频率要与接收线圈的谐振频率相同，通过四个1N4007普通二极管组成的桥式整流电路，将交流电转换成脉动直流电，最后脉动直流电经过由六个电解电容组成的滤波电路得到稳定的电流。
3软件设计
使用Keil uVision3调试单片机程序，先对数字电位器初始化、液晶初始化，然后对按键进行判断，设置电位器的值更新1602的显示，最后程序重复按键判断以后的过程。
4结论
通过对磁耦合谐振式无线电能传输装置的设计，实现了对电能的无线传输，调试结果表明，本装置可以在50cm距离点亮LED灯，是实用的电能传输装置。
参考文献
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[4] 窦延军.一种磁耦合谐振式无线充电系统的设计[D].成都：电子科技大学，2013
作者简介
王道平（1980-），男，火箭军工程大学理学院讲师，硕士，主要从事电子技术的教学与研究工作。
论文作者:刘泓谦,王道平,徐锦鹏
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/24
标签：谐振论文; 电能论文; 模块论文; 线圈论文; 电路论文; 单片机论文; 芯片论文; 《电力设备》2016年第10期论文;